Haptic Interface for the Simulation of Endovascular Interventions

Endovascular interventions are minimally invasive surgical procedures that are performed to diagnose and treat vascular diseases. These interventions use a combination of long and flexible instruments known as guidewire and catheter. A popular method of developing the skills required to manipulate the instruments successfully is through the use of virtual reality (VR) simulators. However, the interfaces of current VR simulators have several shortcomings due to limitations in the instrument tracking and haptic feedback systems design. A major challenge of developing physics-based training simulations of endovascular interventional procedures is to unobtrusively access the central, co-axial guidewire for tracking and haptics. This work sets out to explore the state of the art, to identify and develop novel solutions to this concentric occlusion problem, and to perform a validation of a proof of concept prototype. This multi port haptic interface prototype has been integrated with a 3-D virtual environment and features novel instrument tracking and haptic feedback actuation systems. The former involves the use of an optical sensor to detect guidewire movements through a clear catheter, whereas the latter utilises the placement of a customised electromagnetic actuator within the catheter hub. During the proof of concept validation process, both systems received positive reviews. Whilst the haptic interface prototype designed in this work has met the original objectives, there are still important aspects which need to be addressed to improve its content and face validity. With further development, the prototype has the potential to evolve and become a significant improvement over the haptic interfaces that exist today.Open Acces

PhysioSim – A Full Hard- And Software Physiological Simulation Environment Applying A Hybrid Approach Based On Hierarchical Modeling Using Algebraic And Differential Systems and Dynamic Bayesian Networks

A system for physiological modeling and simulation is presented. The architecture is considering hardware and software support for real-time physiological simulators, which are very important for medical education and risk management. In contrary to other modeling methods, in this work the focus is to provide maximal modeling flexibility and extensibility. This is provided on the one hand by a hierarchical modeling notation in XML and on other hand by extending current methods by dynamic stochastic system modeling. Dynamic Bayesian Networks as well as deterministic system modeling by systems of algebraic and differential equations lead towards a sophisticated environment for medical simulation. Specific simulations of haemodynamics and physiological based pharmacokinetics and pharmacodynamics are performed by the proposed methods, demonstrating the applicability of the approaches. In contrary to physiological modeling and analysis tools, for an educational simulator, the models have to be computed in real-time, which requires extensive design of the hardware and software architecture. For this purpose generic and extensible frameworks have been suggested and realized. All the components together lead to a novel physiological simulator environment, including a dummy, which emulates ECG, SaO2 and IBP vital signals in addition to software signal simulation. The modeling approaches with DBN are furthermore analyzed in the domains of psychological and physiological reasoning, which should be integrated into a common basis for medical consideration. Furthermore the system is used to show new concepts for dependable medical data monitoring, which are strongly related to physiological and psychological simulations

Haptische Darstellung von Interaktionskräften in einem Assistenzsystem für Herzkatheterisierungen

In den letzten Jahren haben minimalinvasive Operationstechniken die Medizin durch die Ermöglichung komplexer Eingriffe beispielsweise im Bauchraum oder am Herzen durch das für Patienten gegenüber herkömmlichen Operationen geringere Risiko revolutioniert. Einer der Nachteile minimalinvasiver Techniken ist jedoch der Verlust der haptischen Wahrnehmung des Chirurgen. In dieser Arbeit wird daher eine Aktorik für ein Assistenzsystem zur Darstellung haptischer Interaktionskräfte für Herzkatheterisierungen entwickelt. Auf Basis der physiologischen Grundlagen der haptischen Wahrnehmung des Menschen und des Stands der Technik erfolgt im ersten Teil dieser Arbeit eine umfassende Analyse geeigneter Aktorprinzipien. Davon ausgehend wird ein bimodales piezoelektrisches Antriebskonzept entwickelt und aufgebaut. Ein spezieller, bimodal schwingender piezoelektrischer Stapelaktor erzeugt bei einem stabförmigen mechanischen Resonator eine longitudinale und eine transversale Schwingung. Bei einem Resonator mit gebogen Spitze ist eine zweidimensionale Schwingung auch mit einem üblichen symmetrischen Stapelaktoraufbau möglich. Die Überlagerung beider Schwingungen erzeugt an der Spitze des Resonators eine geschlossene Bewegung, die zur Kraftkopplung auf den Führungsdraht genutzt wird. Der Entwurf des Resonators erfolgt zunächst durch analytische Berechnungen. Im Anschluss werden die Ergebnisse mit Hilfe numerischer Lösungsverfahren präzisiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der Entwurf und Aufbau eines Verstärkers zur Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors dargestellt. Der Verstärker, der ein Ansteuersignal auf eine Spannungsamplitude von 300 V erhöht, zeichnet sich dadurch aus, dass er im Gegensatz zu am Markt erhältlichen Verstärkern trotz der kapazitiven Last des Aktors die Amplitude des hochfrequenten Ansteuersignals nahezu verzerrungsfrei und ohne Dämpfung verstärkt. Die Charakterisierung des piezoelektrischen Ultraschallaktors, die den dritten Themenkomplex dieser Arbeit darstellt, macht die Entwicklung und den Aufbau eines Versuchsumgebung notwendig. In diesem treibt der piezoelektrische Ultraschallaktor eine luftgelagerte Kugel an, deren Rotationsbewegung über zwei optische Sensoren erfasst wird. In verschiedenen Versuchsreihen wird der Einfluss der Amplitude des Ansteuersignals, der Kontaktkraft, der Ansteuerfrequenz sowie der Einfluss von Verschmutzung und der Rauigkeit der Rotoroberfläche auf die gekoppelte Kraft untersucht. Der Erfolg eines neuartigen Assistenzsystems für die Medizintechnik hängt wesentlich von der Gestaltung und der Gebrauchstauglichkeit der Bedieneinheit ab, mit der die Ärzte interagieren. Auf Basis zahlreicher Gespräche mit Kardiologen sowie aus den Ergebnissen einer Designstudie wird abschließend eine Bedieneinheit für das Assistenzsystem entworfe

Forschungsbericht Universität Mannheim, 2004 / 2005

Die Universität Mannheim gibt in dem vorliegenden Forschungsbericht 2004/2005 Rechenschaft über ihre Leistungen auf dem Gebiet der Forschung. Erstmals folgt diese Dokumentation einer neuen Gliederung, die auf einen Beschluss des Forschungsrates der Universität Mannheim zurückgeht. Wie gewohnt erhalten Sie einen Überblick über die Publikationen und Forschungsprojekte der Lehrstühle, Professuren und zentralen Forschungseinrichtungen. Diese werden ergänzt um Angaben zur Organisation von Forschungsveranstaltungen, der Mitwirkung in Forschungsausschüssen, einer Übersicht zu den für Forschungszwecke eingeworbenen Drittmitteln, zu den Promotionen und Habilitationen, zu Preisen und Ehrungen und zu Förderern der Universität Mannheim. Abgerundet werden diese Daten durch zusammenfassende Darstellungen der Forschungsschwerpunkte und des Forschungsprofils der Fakultäten